Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) sijaitsee Batavian ulkopuolella Illinoisin osavaltiossa lähellä Chicagoa. Se on Yhdysvaltain energiaministeriön kansallinen laboratorio, joka on erikoistunut suurienergisten hiukkasten fysiikkaan. Laboratorio perustettiin 1960-luvulla alkujaan nimellä National Accelerator Laboratory, ja se nimettiin myöhemmin kuuluisan fyysikon Enrico Fermin mukaan. Tammikuun 1. päivästä 2007 lähtien Fermilabia on ylläpitänyt Fermi Research Alliance, joka on Chicagon yliopiston, Illinois Institute of Technologyn ja Universities Research Associationin (URA) yhteisyritys. Fermilab on osa Illinoisin teknologia- ja tutkimuskäytävää ja toimii yhtenä Yhdysvaltain johtavista hiukkasfysiikan keskuksista.

Historia ja infrastruktuuri

Fermilabin suunnittelu ja rakentaminen käynnistettiin 1960-luvulla, ja sen ensimmäinen pitkäaikainen johtaja oli insinööri-fyysikko Robert R. Wilson, jonka vaikutus näkyy myös laboratorion tunnusomaisessa arkkitehtuurissa (mm. Wilson Hall). Fermilabin laaja maa-alue on hyödynnetty sekä laboratorio- että ympäristötarkoituksiin: paljon kiihdyttimiä, tutkimustiloja ja osa laitteistoista on sijoitettu maan alle säteily- ja turvallisuussyistä.

Kiihdyttimet ja merkittäviä saavutuksia

Fermilabin tunnetuin kiihdytin oli Tevatron, joka oli ennen sulkemistaan yksi maailman suurimmista ja tehokkaimmista hadronien törmäyttimistä. Tevatronin myötä laboratorio saavutti maailmanluokan löytöjä; muun muassa vuoden 1995 ilmoitus huippukvarkin (top-quark) löydöstä tehtiin Tevatronin CDF- ja DØ-yhteisöjen toimesta. Tevatronin loppu vuonna 2011 siirsi Fermilabin painopistettä Tevatronin perintöä hyödyntävään tutkintaan ja uuden sukupolven projekteihin.

Fermilabin kiihdytinlaitteisto käsittää useita tasoja: lineaarikiihdytin (linac), Booster, Main Injector ja muita säteitä tuottavia järjestelmiä, joiden yhdistelmällä luodaan sekä protonipohjaisia että neutriinosäteitä ja tuetaan monipuolisia kokeita. Laboratorio on myös merkittävä hiukkasilmaisintekniikan, suprajohtavien magnettien ja säteilylähteiden kehittäjä.

Neutriinotutkimus ja nykyiset ohjelmat

Suurenergisen törmäysfysiikan ohella Fermilab on maailman johtava neutriinotutkimuksen keskus. Laboratorion neutriinoprojekteihin kuuluvat useita suurempia ja pienempiä kokeita kuten MiniBooNE (Mini Booster Neutrino Experiment), SciBooNE (SciBar Booster Neutrino Experiment) ja MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search). MiniBooNE-ilmaisin on halkaisijaltaan 12 metrin (40 jalkaa) pallo, joka sisältää 800 tonnia mineraaliöljyä, ja se on vuorattu 1520 yksittäisellä fotoputki-ilmaisimella. Vuosittain rekisteröidään arviolta miljoona neutriinotapahtumaa. SciBooNE sijoittuu samaan neutriinosäteeseen kuin MiniBooNE ja tarjoaa hienojakoista seurantaosaamista. MINOS-kokeessa käytetään Fermilabin NuMI-sädettä (Neutrinos at the Main Injector), joka kulkee noin 732 kilometrin (455 mailin) matkan Maan läpi Minnesotassa sijaitsevaan Soudanin kaivokseen.

Viime vuosina Fermilab on keskittänyt voimavarojaan myös pitkä kantamaan projekteihin, kuten Long-Baseline Neutrino Facilityyn (LBNF) ja Deep Underground Neutrino Experimenti n (DUNE) yhteistyöhön, joiden tavoitteena on tutkia muun muassa neutriino-oscillaatiota, massajärjestystä ja CP-vajetta neutriinosektorissa. Lisäksi Fermilab on isännöinyt ja kehittänyt lyhyen kantaman (short-baseline) liki ajan kokeita, kuten MicroBooNE, SBND ja ICARUS, jotka hyödyntävät nestetypen (argon) aikaansaamia kolmiulotteisia ilmaisimia (TPC).

Tieteellinen yhteistyö ja teknologia

Fermilab tekee laajasti kansainvälistä yhteistyötä: sen tutkijat ja insinöörit osallistuvat muun muassa CERNin LHC‑kokeisiin (ATLAS ja CMS) sekä moniin muihin kansainvälisiin kokeisiin. Laboratoriossa tehdään myös merkittävää työtä ilmaisintekniikan, laskennan, suurten datamassojen käsittelyn ja suprajohtavien järjestelmien kehittämisessä.

Luonto, yhteisö ja julkinen toiminta

Fermilabille varattiin suuri maa-alue, ja laboratorio on yhdistänyt korkean teknologian tutkimuksen paikalliseen ympäristönhoitoon. Suuri osa laitteista on maan alla, mutta maan pinnalla on toteutettu laajoja luonnon elvytys- ja suojeluohjelmia: Fermilabin tutkijat ja vapaaehtoiset ovat osallistuneet Illinoisin alkuperäisen preerian palauttamiseen ja ylläpitoon. He ovat myös perustaneet maatilan kasvattaakseen amerikkalaisbiisonilaumaa, joka on osa maiseman ja perinteen vaalimista. Fermilab Nature Areas on erillinen voittoa tavoittelematon ryhmä, joka hallinnoi näitä ohjelmia ja tarjoaa luonnon tutkiskeluun, opetukseen ja virkistykseen liittyvää toimintaa.

Laboratorio tarjoaa laajasti yleisöohjelmia: opastettuja kierroksia, näyttelyitä, koulutusohjelmia ja luentoja eri yleisöille. Fermilab toimii myös alueellisena resurssina tieteelliselle koulutukselle ja yritysyhteistyölle.

Asteroidi 11998 Fermilab on nimetty laboratorion kunniaksi, mikä kuvastaa Fermilabin merkitystä sekä kansallisella että kansainvälisellä tiedekentällä.